Ăng-ten 'lỗi thời' giúp phát hiện vụ nổ Big Bang

Từng phục vụ dự án khí cầu NASA, ăng-ten loa Holmdeal được tận dụng để phân tích tín hiệu vô tuyến vũ trụ và phát hiện bằng chứng vụ nổ.

Ăng-ten loa Holmdeal dài khoảng 15 m. Ảnh: Amusing Planet

Các nhà vật lý và nhà thiên văn tin rằng vũ trụ bắt đầu từ vụ nổ Big Bang - một sự kiện dữ dội xảy ra khoảng 13 tỷ năm trước, khai sinh ra vũ trụ. Thuyết Big Bang cho rằng toàn bộ vũ trụ tập trung ở trạng thái cực nóng và đậm đặc gọi là điểm kỳ dị, sau đó bắt đầu nhanh chóng giãn nở, dẫn đến sự hình thành vật chất, bao gồm các nguyên tử và hạt hạ nguyên tử. Những nguyên tử này sau đó tụ tập lại để tạo nên các thiên hà, ngôi sao và cấu trúc khác trong vũ trụ.

Suốt một thời gian dài, giới khoa học băn khoăn rằng một sự kiện dữ dội như Big Bang sẽ phải để lại bằng chứng nào đó, một "di tích" bức xạ dưới dạng nhiễu phông lan khắp vũ trụ. Bức xạ phông vi sóng vũ trụ (CMB) được hai nhà vũ trụ học người Mỹ Ralph Alpher và Robert Herman dự đoán lần đầu vào năm 1948. Tuy nhiên, cộng đồng thiên văn học chính thống thời đó không quan tâm đến vũ trụ học. Bản thân thuyết Big Bang cũng gây nhiều tranh cãi. Phương án thay thế là thuyết Trạng thái ổn định, cho rằng vũ trụ tồn tại vĩnh cửu và gần như vẫn y nguyên ở bất cứ thời điểm nào.

Trong một nghiên cứu ngắn của các nhà vật lý thiên văn Liên Xô A. G. Doroshkevich và Igor Novikov vào mùa xuân năm 1964, lần đầu tiên bức xạ CMB được công nhận như một hiện tượng có thể dò ra được. Cũng trong năm đó, Robert H. Dicke cùng hai đồng nghiệp tại Đại học Princeton, Mỹ, Jim Peebles và David Wilkinson, bắt đầu chuẩn bị tìm kiếm bức xạ vi sóng này.

Nhóm nhà vật lý thiên văn này cho rằng vụ nổ Big Bang không chỉ phát tán loại vật chất kết tụ thành các thiên hà mà còn giải phóng một lượng bức xạ cực lớn. Nếu có thiết bị thích hợp, họ tin rằng có thể dò ra bức xạ này, dù là ở dạng vi sóng, do có sự dịch chuyển đỏ đáng kể (hiện tượng ánh sáng từ các vật thể đang di chuyển ra xa khỏi người quan sát trở nên đỏ hơn).

Trong thời gian này, trên đồi Crawford, thị trấn Holmdel, bang New Jersey, Mỹ, Arno Penzias và Robert Wilson đang thử nghiệm một ăng-ten loa (loại ăng-ten có hình dạng loe ra) siêu nhạy để lập sơ đồ tín hiệu vô tuyến từ dải Ngân Hà. Ăng-ten loa Holmdel ban đầu được chế tạo như một phần của Dự án Echo nhằm dò sóng vô tuyến dội lại từ các vệ tinh khí cầu lớn.

Dự án Echo là một sáng kiến của NASA, trong đó các khí cầu lớn bằng màng mylar được bơm phồng với đường kính hơn 30 m bay ở độ cao khoảng 1.600 km xung quanh Trái Đất, phản xạ thụ động tín hiệu vô tuyến chiếu tới bề mặt sáng bóng của chúng. NASA chế tạo những thiết bị phản xạ thụ động đơn giản này để truyền tín hiệu điện thoại, radio và TV xuyên lục địa.

Ăng-ten loa Holmdeal dài 15 m với lỗ mở rộng khoảng 2 m2, thuôn nhọn dần thành đầu ra 20 cm, truyền sóng vô tuyến vào bộ thu nhận. Không lâu sau dự án Echo, vệ tinh Telstar phóng lên không gian, khiến hệ thống Echo trở nên lỗi thời. Điều này đã giải phóng ăng-ten loa Holmdeal khỏi những hạn chế thương mại trước đây, khiến nó có thể được dùng cho mục đích nghiên cứu.

Arno Penzias (phải) kiểm tra phần bên trong ăng-ten loa cùng Robert Wilson (trái). Ảnh: Nokia Bell Labs

Nắm bắt cơ hội, Penzias và Wilson quyết định sử dụng ăng-ten loa Holmdeal để phân tích các tín hiệu vô tuyến từ không gian liên sao. Tuy nhiên, khi bắt đầu quan sát, họ gặp phải nhiễu phông bí ẩn trong phổ vi sóng, dường như phát ra từ mọi hướng trên bầu trời. Họ kiểm tra kỹ lưỡng thiết bị, thậm chí làm sạch phân chim bồ câu trên ăng-ten để loại bỏ các nguồn có thể gây nhiễu, nhưng nhiễu phông vẫn tồn tại. Penzias và Wilson cùng kết luận rằng nó bắt nguồn từ ngoài dải Ngân Hà, nhưng vẫn chưa biết nguồn vô tuyến nào có thể giải thích được.

Khi một giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nói với Penzias về nghiên cứu của Jim Peebles, Penzias và Wilson bắt đầu nhận ra tầm quan trọng của những gì họ phát hiện. Penzias liên lạc với Dicke và mời ông đến Bell Labs để xem ăng-ten loa và lắng nghe nhiễu phông. Dicke kết luận, các đặc tính của bức xạ do Penzias và Wilson phát hiện trùng khớp với bức xạ mà ông cùng đồng nghiệp tại Đại học Princeton từng dự đoán.

Hai nghiên cứu ngắn trên tạp chí Astrophysical Journal Letters tháng 7/1965 đã công bố các phát hiện này, đầu tiên là lý thuyết của Dicke, sau đó là các quan sát của Penzias và Wilson. Năm 1978, Penzias và Wilson được trao giải Nobel Vật lý. Năm 1989, ăng-ten Holmdel được công nhận là Di tích Lịch sử Quốc gia Mỹ nhờ giúp hai nhà khoa học này tìm ra bằng chứng cho thuyết Big Bang, thay đổi vĩnh viễn ngành khoa học vũ trụ.

Thu Thảo (Theo Amusing Planet)